Le cyclotron du Musée des Arts et Métiers

Le cyclotron exposé au musée des Arts et Métiers est celui du Collège de France, utilisé par Frédéric et Irène Joliot-Curie qui travaillaient sur la transmutation nucléaire. Leur recherche aboutit à la découverte du neutron.

• le cyclotron a une énergie de 7 MeV
• l'électro-aimant pèse 25 tonnes (celui exposé au musée est factice)

Cyclotron exposé au Musée

L'inventeur du cyclotron :

Lawrence Ernest Orlando (Prix Nobel 1939) construisit le premier cyclotron expérimental en 1929. Mais c'est en fait en 1931 que l'appareil fut vraiment opérationnel. Il accéléra des protons d'énergie 13 keV.

Constitution d'un cyclotron :

- deux électrodes en forme de D (dee).
- un générateur haute fréquence relié aux "dees".
- un dispositif pour faire le vide poussé dans le cyclotron.
- un dispositif envoyant des particules ionisées au centre du cyclotron.
- un électro-aimant créant un champ magnétique intense.
- un canal d'extraction au bout duquel se trouve la cible.

Bornes + et - alternatives  Cible Branchement vers la Pompe à vide

A quoi sert un cyclotron ?

Un cyclotron sert à accélérer des particules chargées et à produire des isotopes.
Les particules accélérées sont éjectées à l'extérieur par une fenêtre pour être ensuite envoyées sur des cibles.

Il est utilisé dans la recherche :

• en physique nucléaire
• en astrophysique
• en chimie pour la synthèse de molécules marquées
• en médecine pour la production d'isotopes utilisés en tomographie par émission de positon (T.E.P)

L'énergie maximale acquise par les particules est de l'ordre de 10 MeV (1 eV = J).

Principe de fonctionnement d'un cyclotron

Les ions produits par la source sont accélérés par une force électrique sous l'action d'un champ électrique(q : charge de la particule).
Les particules sont ensuite déviées avec une vitesse constante v, par une force magnétique sous l'action d'un champ magnétique et décrivent des demi-cercles de rayon avec la vitesse angulaire . Cette vitesse angulaire est indépendante de l'énergie.
Les ions déviés se représentent dans l'espace entre les deux "dees" et sont à nouveau accélérés sous l'action du champ électrique qui a été inversé.
L'énergie cinétique des particules augmente à chaque passage entre les "dees" et le rayon de leur trajectoire circulaire augmente successivement.
L'énergie cinétique maximale atteinte est égale à
Avec : vitesse maximale atteinte et : rayon maximal utile du cyclotron.

Les autres types de cyclotrons

Les cyclotrons à secteurs séparés :
Ils sont constitués par exemple de 4 zones à champ fort séparées par 4 zones sans champ. On atteint des énergies de l'ordre de 1 GeV (1 milliard d'électron-volt).

Les synchro-cyclotrons :
Ces appareils permettent d'atteindre des énergies élevées jusqu'à environ 1 GeV. Ils nécessitent des des électro-aimants de très grandes tailles et de masses élevées (7 000 000 kg).

Les synchrotrons :
Ce sont des modèles géants modernes des cyclotrons qui ont plusieurs centaines de mètres de rayon et qui permettent d'obtenir des protons d'énergie de plusieurs GeV.
Le L.E.P (Large Electron Positron Collider) est un collisionneur de 27 km de circonférence qui permet d'étudier l'annihilation mutuelle des électrons et des positrons.
Dans le L.E.P, les particules sont accélérées par un champ électrique et sont déviées selon une trajectoire pratiquement circulaire grâce à un champ d'induction magnétique variable.

Vue aérienne du site du C.E.R.N sur la frontière Franco-Suisse (photo C.E.R.N)

 

Logiciel de simulation d'un cyclotron (Académie de Nantes)

Ce logiciel sous DOS (87 Ko en fichier zip) réalisé par C. Rivoisy est téléchargeable sur le site de l'académie de Nantes.

Cliquez sur pour accéder à la page de l'Académie de Nantes.

Ce logiciel permet de simuler la trajectoire d'une particule positive de charge égale à la charge élémentaire e et de modifier la valeur du champ magnétique B, de la tension accélératrice U, ainsi que sa fréquence f.